Sebuah tim dari Universitas Utah telah membangun kerangka luar pinggul robotik ringan yang membantu para penyintas stroke berjalan dengan lebih sedikit usaha. Hasil awal menunjukkan bahwa alat ini dapat secara signifikan mengurangi biaya energi setiap langkah.
Bagi jutaan penyintas stroke, sekadar berjalan melintasi ruangan bisa terasa seperti mendaki bukit dengan ransel berat di punggung. Sebuah eksoskeleton pinggul robotik baru dari para insinyur Universitas Utah bertujuan untuk meringankan beban tersebut.
Dalam sebuah studi percontohan diterbitkan dalam jurnal Alam KomunikasiPara peneliti dari John and Marcia Price College of Engineering dan College of Health menunjukkan bahwa eksoskeleton pinggul portabel seberat 5.5 pon dapat mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berjalan hingga hampir 20% bagi penderita hemiparesis, efek samping umum stroke yang melemahkan dan membuat kaku satu sisi tubuh.
Perangkat ini, yang dikenakan di sekitar pinggul dan diikatkan ke paha, menggunakan motor bertenaga baterai untuk membantu menggerakkan setiap kaki di setiap langkah. Sistem kontrol internal mendeteksi gerakan pengguna secara real-time dan memberikan dorongan ketika pinggul perlu mengangkat kaki atau mendorong, sehingga setiap langkah menjadi lebih efisien.
Hemiparesis memengaruhi sekitar 80% penyintas stroke dan merupakan penyebab utama kecacatan di Amerika Serikat. Karena satu sisi tubuh lebih lemah, sisi lainnya harus bekerja lebih keras untuk mengimbangi. Ketidakseimbangan tersebut dapat membuat berjalan 60% lebih membutuhkan energi daripada bagi orang dengan gaya berjalan normal, yang menyebabkan kecepatan lebih lambat, kelelahan, nyeri, dan risiko jatuh yang lebih tinggi.
“Meningkatkan kualitas hidup setelah stroke adalah salah satu tantangan terbesar yang belum teratasi dalam perawatan kesehatan saat ini,” kata penulis senior Tommaso Lenzi, seorang profesor madya di Departemen Teknik Mesin, dalam siaran pers. “Kami sekarang menunjukkan bahwa robotika dapat memberikan dampak yang terukur di sini.”
Pendekatan tim Utah ini berbeda dari upaya sebelumnya yang berfokus pada pergelangan kaki. Banyak peneliti telah mencoba mengatasi masalah berjalan pasca-stroke dengan penyangga pergelangan kaki bertenaga, karena masalah seperti kaki terkulai dan daya dorong lemah pada pergelangan kaki mudah terlihat. Namun, perangkat tersebut belum memberikan peningkatan yang diharapkan.
“Eksoskeleton pergelangan kaki portabel gagal mengurangi energi yang dibutuhkan pasien stroke untuk berjalan, jadi kami mengusulkan pendekatan yang berbeda,” tambah penulis utama Kai Pruyn, seorang mahasiswa pascasarjana di Laboratorium Rekayasa Bionik HGN Lenzi.
Pruyn dan rekan-rekannya menyadari bahwa ketika pergelangan kaki lemah, orang sering mengkompensasinya dengan melatih otot pinggul mereka jauh lebih keras, yang membakar energi ekstra. Wawasan itu mendorong mereka untuk merancang perangkat yang berfokus pada pinggul.
“Pasien dengan kelemahan pergelangan kaki sering kali mengkompensasi dengan sendi pinggul mereka, yang membutuhkan energi ekstra. Tujuan kami adalah mengembangkan eksoskeleton pinggul yang kuat dan sepenuhnya portabel,” tambah Pruyn. “Eksoskeleton pinggul juga bisa sangat ringan karena dikenakan lebih dekat ke pusat massa pengguna dan memiliki kebutuhan torsi yang lebih rendah dibandingkan dengan eksoskeleton pergelangan kaki. Kami menemukan bahwa bantuan pinggul secara efektif mengkompensasi pengurangan daya dorong pergelangan kaki.”
Laboratorium Lenzi dikenal karena robotika yang dapat dikenakan, termasuk Kaki Bionik Utahyang dinobatkan sebagai salah satu penemuan terbaik majalah Time pada tahun 2023. Kelompok lain telah menguji eksoskeleton pinggul pada sukarelawan sehat dan menunjukkan bahwa alat ini dapat meningkatkan efisiensi berjalan. Studi di Utah ini adalah yang pertama menunjukkan manfaat nyata bagi penderita hemiparesis setelah stroke.
Untuk menguji perangkat baru tersebut, para peneliti membawa tujuh penyintas stroke dengan hemiparesis ke laboratorium. Menggunakan kamera penangkap gerakan yang presisi dan treadmill yang dilengkapi instrumen, mereka merekam bagaimana setiap peserta berjalan dengan dan tanpa eksoskeleton. Para sukarelawan juga mengenakan peralatan yang memperkirakan berapa banyak kalori yang mereka bakar dalam setiap kondisi.
Dari pengukuran tersebut, tim menghitung biaya metabolisme saat berjalan. Dengan eksoskeleton diaktifkan, perangkat tersebut mengambil alih hampir 30% pekerjaan yang biasanya dilakukan oleh sendi pinggul. Bantuan tersebut menghasilkan penurunan 18% dalam biaya energi keseluruhan saat berjalan.
Penulis bersama Bo Foreman, seorang profesor terapi fisik dan pelatihan atletik, membandingkan perbedaannya dengan melepaskan beban berat.
“Bagi seseorang dengan gaya berjalan yang sehat, ini seperti melepas ransel seberat 30 pon,” katanya dalam siaran pers. “Bagi seseorang dengan hemiparesis, ini adalah perbedaan yang mengubah hidup.”
Para peserta penelitian merasakan perubahan dalam gerakan sehari-hari mereka. Salah seorang penyintas stroke, Lidia, menggambarkan betapa terbatasnya gerakannya sebelum mencoba alat tersebut. “Awalnya, saya tidak bisa menggerakkan kaki saya,” katanya. “Tetapi dengan alat ini, sekarang jauh lebih baik.”
“Awalnya, saya tidak bisa menggerakkan kaki saya,” kata Lidia, salah satu peserta yang selamat dari stroke. “Tapi dengan alat ini, sekarang jauh lebih baik.”
Suaminya, Marcellus, memperhatikan bahwa manfaatnya tetap terasa bahkan ketika dia tidak mengenakan eksoskeleton tersebut.
“Dalam arti tertentu, eksoskeleton itu melakukan sebagian gerakan untuknya,” katanya. “Semakin sering kami menggunakannya, semakin baik kondisinya ketika dia tidak menggunakannya.”
Dampak positif semacam itu mengisyaratkan kemungkinan yang besar: dengan membuat berjalan lebih mudah dan simetris, eksoskeleton mungkin tidak hanya membantu pergerakan saat itu juga membantu melatih kembali sistem saraf dari waktu ke waktu. Meskipun penelitian saat ini berfokus pada penghematan energi langsung, penelitian di masa mendatang dapat mengeksplorasi apakah penggunaan rutin mengarah pada peningkatan kekuatan, koordinasi, dan kepercayaan diri yang berkelanjutan.
Perangkat itu sendiri dirancang dengan mempertimbangkan kehidupan sehari-hari. Dengan berat hanya 5.5 pon dan dikenakan dekat dengan pusat massa tubuh, perangkat ini jauh lebih ringan dan tidak terlalu besar dibandingkan banyak kerangka luar (exoskeleton) sebelumnya. Motor dan sistem kontrolnya sepenuhnya portabel, sehingga pengguna tidak terikat pada sumber daya listrik atau peralatan laboratorium.
Namun, masih ada pekerjaan yang harus dilakukan sebelum sistem seperti itu dapat diresepkan seperti penyangga atau alat bantu jalan. Langkah selanjutnya bagi tim Lenzi termasuk menguji eksoskeleton pinggul di luar laboratorium untuk memastikan alat tersebut aman dan efektif di rumah dan di masyarakat. Itu berarti menyempurnakan mekanisme dan perangkat lunak kontrol sehingga perangkat tersebut dapat mengatasi tantangan dunia nyata seperti berbelok, menaiki tangga, berdiri dari kursi, dan menavigasi medan yang tidak rata.
Laboratorium ini bermitra dengan para pemimpin di bidang prostetik dan ortotik untuk menerjemahkan prototipe tersebut menjadi produk yang dapat dipasang dan disesuaikan oleh dokter untuk setiap pasien. Kolaborasi semacam itu akan menjadi kunci untuk membuat teknologi ini terjangkau, tahan lama, dan mudah digunakan.
Tujuan utama tim ini melampaui bidang teknik.
“Tujuan kami adalah untuk memastikan bahwa stroke tidak menentukan batasan ke mana seseorang dapat pergi atau bagaimana mereka dapat hidup,” tambah Lenzi.
Jika hasil awal ini terbukti benar dalam uji coba yang lebih besar dan jangka panjang, eksoskeleton pinggul ringan dapat menjadi alat baru dalam rehabilitasi stroke, membantu para penyintas mengganti beban tak terlihat seberat 30 pon itu dengan kehidupan yang lebih bebas dan mandiri.
Sumber: University of Utah